[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines dauerhaft verarbeitbaren
Baustoffs aus kontaminiertem mineralischen Gewässersediment- oder Bodenmaterial, insbesondere
für tragende und nicht tragende Bauteile im Erd- und Straßenbau.
[0002] Böden oder auch Gewässersedimente, die häufig auch als Schlick bezeichnet werden,
wie sie insbesondere bei Baggerarbeiten in Hafenbecken, Fahrrinnen und dergleichen
anfallen, können- durch Schadstoffe belastet sein, bei denen es sich meist überwiegend
um komplexgebundene Schwermetallionen und/oder andere häufig äußerst schädliche organische
Verbindungen unterschiedlichster chemischer Art handelt. Dies -hat zur Folge; daß
man bei Baggerarbeiten oder dergleichen anfallende Böden oder Gewässersedimente keinesfalls
auf Halden deponieren kann, wie dies früher üblich war und auch heute noch in nicht
unerheblichem Ausmaße geschieht, da die-enthaltenen Schadstoffe im Verlaufe der Zeit-durch
Auswaschung ins Grundwasser gelangen und dieses belasten können.
[0003] Es kommt hinzu, daß anfallende Böden oder Gewässersedimente, selbst wenn sie in Trocknungsfeldern
zwischengelagert und durch Verdunstung entwässert werden, die notwendigen Kriterien
einer Verarbeitung als Baustoffe oder Deponierfähigkeit in bodenmechanischer Hinsicht
in bezug auf Stand- und Dauerfestigkeit, Befahrbarkeit usw. regelmäßig nicht erfüllen.
[0004] Aufgrund der genannten negativen Eigenschaften scheiden häufig in erheblichen Mengen
anfallende Gewässersedimente aus den gleichen Gründen und bei gleicher Aufarbeitung
durch Entwässerung ersichtlich auch als Baustoff, -beispielsweise für Erd- und Straßenbaumaterial,
aus, weil- sie auch bei einer solchen Verwendung die gleichen negativen Wirkungen
entfalten und/oder nicht die erforderlichen Festigkeitseigenschaften aufweisen.
[0005] Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen,
mit dem kontaminierte Böden oder Gewässersedimente zu einem dauerhaft verarbeitbaren
Baustoff aufbereitet werden können, der kontinuierlich produziert, zwischengelagert
und jederzeit verarbeitet werden kann.
[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst, bei
dem das Ausgangsmaterial zunächst auf einen Wassergehalt von maximal 130% bezogen
auf sein Trockengewicht entwässert und homogen zerkleinert wird, und das zerkleinerte
Material mit - bezogen auf sein Trockengewicht - a) 5 - 10% Tonmehl, b) 0,1 - 0,5
% organophilem Bentonit und/oder 1 bis 5% Harnstoff sowie c) 2- 5% hydraulischem Bindemittel
homogen vermischt wird.
[0007] Unter dauerhafter Verarbeitbarkeit des Baustoffs wird im Rahmen der Erfindung verstanden,
daß der erfindungsgemäß hergestellte Baustoff während einer Zeitdauer von mindestens
zehn Jahren, bevorzugt zwanzig Jahren, fünfzig Jahren oder achtzig Jahren, eine maximale
Festigkeit von 0,3 MPa, bevorzugt 0,25 MPa, weiter bevorzugt 0,2 MPa und weiter bevorzugt
0,1 MPa nicht überschreitet. Die Ausgangsfestigkeit des Baustoffs unmittelbar nach
der erfindungsgemäßen Aufbereitung liegt im Bereich von etwa 0,05 bis 0,1 MPa.
[0008] Durch Zugabe von organophilem Bentonit werden insbesondere Verunreinigungen durch
Kohlenwasserstoffe gebunden. Harnstoff bindet besonders Schwermetalle wie Kupfer und
Zink. Das Bindemittel bewirkt eine Stabilisierung des Materials, so daß ein tragfähiger
Baustoff mit dichtenden-und tragenden Eigenschaften entsteht.
[0009] Bezüglich des Tonmehls, welches zu 10 - 75% aus Kaolinit und zu 5 - 25% aus Quarzit
bestehen kann, hat sich gezeigt, daß dieses vorteilhafterweise nicht quellfähig ist,-wobei
diese natürliche Eigenschaft dem feinkörnigen Kaolinit eine kristallchemische Stabilität
und geochemische Resistenz verleiht. Durch die nicht vorhandene Möglichkeit eines
innerkristallinen Quellens kann demgemäß keine Ionendiffusion stattfinden:
[0010] Es hat sich bspw. gezeigt, daß die für Abdichtungsmaßnahmen erforderlichen k
f-Werte von 10
-10 m/s bei Verwendung von kaolinitischem Ton(mehl) ohne weiteres erreicht werden, und
daß die hiermit hergestellten Massen weiterhin eine Restplastizität besitzen, um-
bspw. dem Setzungsdruck des Deponiegutes ohne Rißbildung nachgeben zu können.
[0011] Auf den hydratsbeladenen Plättchenoberflächen -der Kaolinite findet keine nennenswerte
Korrosion statt. Lediglich an den Kornrändern kann es zu einem Ionenaustausch und
Absorptionen kommen. Die durch Fällungsreaktionen entstehenden Produkte werden sowohl
im amorphen Zustand erstarren als auch in feinstkörniger Form in den feinen Poren
abgeschieden. Durch das ungeregelte Wachstum dieser Porenzemente wird die Durchlässigkeit
(k
f-Wert) der konditionierten Gewässersedimente weiter herabgesetzt sowie die Langzeitstabilität
gewährleistet bzw. erhöht.
[0012] Durch Absorption organischer Verbindungen wird die Stabilität ebenfalls nicht beeinträchtigt.
Organische Bestandteile in den Gewässersedimenten bis ca. 20% haben aufgrund der spezifischen
Eigenschaften der kaolinitischen Tonmehle keine negativen Auswirkungen auf die Langzeitstabilität.
[0013] Bevorzugt ist vorgesehen, daß das Material mit 7,5 - 8,5%, bevorzugt 8% Tonmehl,
0,15 - 0,25%, bevorzugt 0,2% organophilem Bentonit, 1 - 3%, bevorzugt 2% Harnstoff
und 3 - 5%, bevorzugt 4% hydraulischem Bindemittel vermischt wird.
[0014] Vorteilhafterweise enthalten die Böden bzw. Gewässersedimente maximal 50 Gew.-% Sand.
[0015] In einer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine Verwendung eines zumindest weitgehend
karbonatfreien kaolinitischen Tonmehls.
[0016] Bevorzugt ist vorgesehen, daß ein Tonmehl mit einer Mahlfeinheit bis ca. 1,5 mm verwendet
wird, wobei bevorzugt mindestens ein Kornanteil von ca. 70% bis 0,002 mm Größe vorhanden
ist, also einem sehr erheblichen höchstfeinen Kornanteil.
[0017] Zweckmäßigerweise werden die Gewässersedimente vor dem Vermischen belüftet, und zwar
bevorzugt beim Zerkleinern.
[0018] Es hat sich weiterhin als höchst zweckmäßig herausgestellt, wenn die-bei der Aufbereitung
erhaltene Mischung, unabhängig davon, ob den aufzubereitenden Gewässersedimenten nur
organophiler Bentonit oder Harnstoff oder beides homogen zugemischt worden ist, vor
einer Deponierung und vorzugsweise auch vor einer Weiterverarbeitung als Baustoff
zwischengelagert wird, und zwar vorzugsweise wenigstens- einen Tag, wobei das insoweit
aufbereitete Gut bei der Zwischenlagerung vor Witterungseinflüssen und insbesondere
Niederschlägen geschützt werden sollte.
[0019] Das zugeschlagene hydraulische Bindemittel kann zu 5 - 15 Gew.%, bevorzugt 10 Gew.-%
aus Portlandzementklinker, zu 60 - 80 Gew.-%, bevorzugt 70 Gew.-% aus Hüttensandmehl
und zu 10 - 30 Gew.-%, bevorzugt 20 Gew.-% aus Weißfeinkalk bestehen. Unter Hüttensandmehl
wird vorliegend ein Material mit folgender Zusammensetzung verstanden: ca. 30 - 45
Gew.-% CaO, 30-45 Gew.-% SiO
2, 5-15 Gew.-% Al
2O
3, 4- 17 Gew.-% MgO, 0,5 - 1 Gew.-% S und Spuren anderer Elemente, bevorzugt mit der
Zusammensetzung: CaO 35 - 45 Gew.-%, SiO
2 35 - 40 %, Al
2O
3 10 -15 %, MgO 5 -15 %, Fe 0,2 - 0,3 %, Mn 0,1 - 0,2 %, S 0,5 - 1,5 %, TiO
2 0,5 - 1,5 %, K
2O 0,5 - 1,0 %, Na
2O 0,2 - 1,0 %. Die-Mahlfeinheit nach Blain liegt bevorzugt im Bereich von 4200 cm
2/g +/- 100 cm
2/g.
[0020] Hierzu sei noch ausgeführt, daß kaolinitische Tone relativ rasch mit hydraulischen
Zuschlägen reagieren und zu chemischen Zementen führen, und-zwar im wesentlichen nach
dem Reaktionschema: Tonmineral + Bindemittel = Ca-Tonmineral + Neubildung. Das dabei
entstehende Reaktionsprodukt stellt eine komplex zusammengesetzte Mischung aus Tonmineralien
(hervorgegangen aus dem primären Gewässerschlick und dem Tonzusatz), neugebildeten
hydratisierten Ca/Al-Silikaten, Metallhydroxiden und organischen Komplexen dar und
ist in sich chemisch stabil, wenn die Wasserzufuhr eingeschränkt oder völlig unterbunden
wird.
[0021] Der Mechanismus der Verfestigung eines mit einem Bindemittel und Ton vermischten
Ausgangsmaterials läuft nach Maßgabe der Diffusionsprozesse, vornehmlich in den feinstkörnigen
Bereichen, nach Art einer asymptotischen Annäherung in Richtung auf ein thermodynamisches
Gleichgewicht ab. Aufgrund der erfindungsgemäß geringen Zuschlagmengen an Bindemittel
kann auch nach einer sehr langen Zeit keine erhebliche Verfestigung eintreten, so
daß das aufbereitete Material auch nach langen Zeiträumen noch ähnlich wie ein natürliches
Bodenmaterial verarbeitet werden kann.
[0022] Durch die Zugabe von Harnstoff wird insbesondere eine Bindewirkung von Cu und Zn
erreicht, wobei der in den schädlichen organischen Bestandteilen der Gewässersedimente
enthaltene Kohlenstoff mit dem Harnstoff bestimmte chemische Verbindungen eingeht,
die zu einer Bindung der Schadstoffe sowie zu einer weiteren Verfestigung führen.
[0023] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß der Harnstoff einen Amidstickstoffgehalt von
40 - 50%, insbesondere von 46% aufweisen kann. Obwohl grundsätzlich Harnstoffgranulat
verwendet werden kann, ist es zweckmäßig, geprillten Harnstoff zu verwenden, der sich
aufgrund seiner Feinheit schnell und gleichmäßig mit dem getrockneten Gewässersediment
vermischt. Es kann vorgesehen sein, daß der Harnstoff einen Biuretgehalt von maximal
1,2% aufweist.
[0024] Das erfindungsgemäße Verfahren und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens
werden nachstehend anhand einer schematisierten Zeichnung weiter wie folgt erläutert.
[0025] Die aus einem Gewässer 1 wie bspw. einem Hafenbecken, einer Fahrrinne od. dgl. mittels
eines (Eimerketten-)Baggers 2 od. dgl. ausgebaggerten Gewässersedimente bzw. Böden
3
- werden zunächst in geeigneter Weise einem Trockenfeld 4 zugeführt und dort auf natürliche
Weise (insbesondere durch Verdunstung) -bis auf wenigstens 130% Wassergehalt (bezogen
auf das Trockengewicht der Sedimente 3) entwässert.
[0026] Soll aus bestimmten Gründen eine ggf. erheblich stärkere Entwässerung auf 70 oder
50% erfolgen, kann ggf. vor der weiteren Aufbereitung noch eine mechanische (Nach-)Entwässerung
oder Trocknung stattfinden, oder die ausgebaggerten Gewässersedimente 3- können auch
ohne vorherige natürliche Entwässerung einer mechanischen Entwässerung zugeführt werden.
[0027] Im Falle der Aufbereitung von Böden wird ein Mindestwassergehalt sichergestellt,
der gewährleistet, daß eine Verarbeitung mit den Zusatzstoffen gemäß der Erfindung
erfolgen kann. Erforderlichenfalls wird zu trockenes Material befeuchtet.
[0028] Nachdem das Aufbereitungsmaterial den vorgegebenen Wassergehalt erreicht hat, wird
es einem Shredder 5 zugeführt, der mit (wenigstens) einer in der Zeichnung lediglich
mit einer strichpunktierten Linie angedeuteten Welle 6 versehen ist, auf welcher messerartige
Zerkleinerungselemente 7 angeordnet sind, welche die entwässerten Gewässersedimente
3 (vor-)zerkleinern, dabei (vor-)homogenisieren und zugleich belüften.
[0029] Die entwässerten, zerkleinerten, belüfteten und damit auch homogenisierten aufzubereitenden
Gewässersedimente gelangen danach mittels eines Förderers 8 zu einer Wiegeeinrichtung
9, bei welcher es sich im Hinblick auf den kontinuierlich angestrebten Aufbereitungsbetrieb
um eine Bandwaage od.dgL handelt, und von der Wiegeeinrichtung 9 in einen Doppelwellen-Zwangsmischer
10.
[0030] Zugleich gelangen von der Wiegeeinrichtung 9 (elektrische) Signale, welche die zeitliche
Menge des dem Mischer 10 zugeführten Sedimentmaterials angeben, zu einer Steuereinheit
11, welche diese (Mengen-)Signale nicht nur u.a. registriert, sondern auch rechnerisch
verarbeitet und ihrerseits Steuersignale an eine Auslaßeinrichtung 12 in der Art einer
Zellenschleuse od.dgl. weitergibt, die einem Vorratsbehälter 13 für kaolinitisches
Tonmehl nachgeordnet ist und von der Steuereinheit 11 so gesteuert wird, daß dem Mischer
10 bzw. dem ihm zugeführten Gewässersedimentmaterial 3 jeweils kontinuierlich eine
-bestimmte Menge kaolinitischen Tonmehls zugegeben wird, und zwar bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel 8% kaolinitisches Tonmehl (bezogen auf die Trockenmasse der Gewässersedimente),
wobei diese Menge, die zwischen- 5- und 10% liegen kann, im vorliegenden Fall ausreicht,
weil die Gewässersedimente relativ stark entwässert worden sind, so daß der Wassergehalt
etwa bei 90% liegt.
[0031] Außerdem steuert die Steuereinheit 11 eine Auslaßeinrichtung 14 eines Vorratsbehälters
15, in dem sich hydraulisches Bindemittel befindet, wobei den Gewässersedimenten 3
im Mischer 10 - gleichsam als "Starter" zur alsbaldigen Erwirkung einer ausreichenden
Materialfestigkeit nach Aufbereitung - 4% Bindemittel (bezogen auf das Gewicht der
Sedimentstrockenmasse) zugegeben wird.
[0032] Es sei ferner darauf verwiesen, daß die Steuereinheit 11 weiterhin mit einer Auslaßeinrichtung
16 eines Vorratsbehälters 17 in Funktionsverbindung steht, in dem sich organophiler
Bentonit und/oder geprillter Harnstoff befinden, welche den aufzubereitenden Gewässersedimenten
3 sowie dem kaolinitischen Tonmehl und dem Bindemittel gesteuert bzw. dosiert zugegeben
werden kann, und zwar je nach Beschaffenheit des Aufbereitungsgutes einerseits und
dessen Bestimmungszweck andererseits in einer Menge zwischen ca. 0,1 - 0,5% bzw-.
1 - 5% (wiederum bezogen auf das- Trockengewicht der Gewässersedimente).
[0033] Es sei noch darauf verwiesen, daß-das den-aufzubereitenden Gewässersedimenten 3 aus
dem Vorratsbehälter 13 dosiert zugeführte kaolinitsche Tonmehl bei einer Mahlfeinheit
bis ca. 1,5 mm etwa 70% Kornanteil im Bereich bis 0,002 mm enthält.
[0034] Aus dem Mischer 10 gelangt das im wesentlichen- fertig aufbereitete Gut, das von
einemweiteren Shredder 23 homogenisiert- wird, über einen Förderer 18 zu einer Zwischenlagerstelle
24, wird dort einen Tag witterungsgeschützt zwischengelagert und sodann als Baustoff
weiterverwendet.
[0035] Dabei sei noch darauf verwiesen, daß die an den beiden Wellen 19 des Mischers 10
angeordneten Schaufeln 20 während des Betriebes (die beiden Wellen 19, 19 liegen horizontal
nebeneinander) so ineinandergreifen, daß sie gegenseitig gleichsam in der Art von
Abstreifern eine Selbstreinigungswirkung entfalten.
[0036] Weiterhin sei darauf verweisen, daß der Aufbereitungsprozeß keineswegs kontinuierlich
durchgeführt werden muß. Vielmehr kann es sogar zweckmäßig sein, ihn diskontinuierlich
durchzuführen, und zwar insbesondere im Hinblick auf die angestrebte innige und homogene
Vermischung der einzelnen Materialkomponenten im Mischer 10 sowie die nachfolgend
erforderliche Entleerung. Bei einer diskontinuierlichen Arbeitsweise kann der Boden
21 des im wesentlichen zylindrischen Mischergehäuses 22 über einen Bogenwinkel von
120° geöffnet werden, so daß sich im Vergleich zu bekannten Doppelwellen-Zwangsmischern
eine etwa vierfach so große Auslaßöffnung ergibt und eine problemlose Entleerung möglich
ist. Mögliche Inhomogenitäten werden durch einen nachgeschalteten Shredder 23 beseitigt.
[0037] Wie bereits weiter oben angedeutet worden ist, sind zahlreiche weitere Modifikationen
sowohl verfahrensmäßig als auch einrichtungsmäßig möglich. So kann bspw. -ein Silikat
wie insbesondere industrielle Fällungskieselsäure als- "Starter" zugegeben werden,
und zwar zweckmäßigerweise ebenfalls in den Mischer 10, und zwar vorzugsweise bei
diskontinuierlichem Betrieb, um eine sehr homogene Mischung herstellen zu können.
[0038] Durch das speziell zusammengesetzte -hydraulische Bindemittel bleibt der hergestellte
Baustoff über einen langen Zeitraum (mindestens 10, 20, 50 oder 80 Jahre) verarbeitbar.
Das Material kann dadurch kontinuierlich produziert, zwischengelagert und jederzeit
verarbeitet werden. Das Material kann als Baustoff verwendet- werden für Auffüllungen
über Wasser, tragende und/oder dichtende Konstruktion im Deichbau, tragende Konstruktion
im Straßenunterbau, Auffüllung, nicht tragend, im Straßenbau, Bodenaustausch, Oberflächen-
und Basisdichtungen bei Deponiebau. Der erfindungsgemäße Baustoff bleibt dauerhaft
verarbeitbar und-kann ein- und ausgebaut und wiederverwendet werden.
Bezugszeichenliste
[0039]
- 1
- Gewässer
- 2
- Bagger
- 3
- Gewässersedimente
- 4
- Trockenfeld
- 5
- Shredder
- 6
- Shredderwelle
- 7
- Zerkleinerungselemente
- 8
- Förderer
- 9
- Wiegeeinrichtung
- 10
- Mischer
- 11
- Steuereinheit
- 12
- Auslaßeinrichtung (von 13)
- 13
- Vorabbehälter
- 14
- Auslaßeinrichtung (von 15)
- 15
- Vorratsbehälter
- 16
- Auslaßeinrichtung
- 17
- Vorratsbehälter
- 18
- Förderer
- 19
- Wellen
- 20-
- Schaufeln
- 21
- Boden
- 22
- Mischergehäuse
- 23
- Shredder
- 24
- Zwischenlagerstelle
1. Verfahren zum Herstellen eines dauerhaft verarbeitbaren Baustoffs aus kontaminiertem
mineralischen Gewässersediment- oder Bodenmaterial, wobei das Material auf einen Wassergehalt
von maximal 130 %, -bezogen auf sein Trockengewicht, entwässert und- homogen- zerkleinert
wird, -und das zerkleinerte Material mit, bezogen auf sein Trockengewicht, a) 5 -
10% Tonmehl, b) 0,1 - 0,5% organophilem Bentonit und/oder 1 - 5% Harnstoff und c)
2 - 5% hydraulischem Bindemittel homogen-vermischt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material, sofern es sich um Bodenmaterial handelt, auf einen Wassergehalt von
5 - 40 Gew.-% gebracht wird, bezogen auf das Trockengewicht.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material mit 7,5 - 8,5%, insbesondere 8% Tonmehl, 0,15 - 0,25%, insbesondere
0,2% organophilem Bentonit, 1 - 3%, insbesondere 2% Harnstoff und 3 - 5%, insbesondere
4% hydraulischem Bindemittel vermischt wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Gewässersedimente mit einem Anteil von maximal 50 Gew.-% Sand verarbeitet werden.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material vor und nach dem Vermischen belüftet und homogenisiert wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Tonmehl zu 10 - 75% aus Kaolinit und zu 5 - 25% aus Quarzit besteht.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Tonmehl eine Mahlfeinheit bis ca. 1,5 mm aufweist.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Tonmehl mit mindestens ca. 70% Kornanteil bis 0,002 mm.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung vor einer Deponierung oder Weiterverarbeitung als Baustoff mindestens
einen Tag lang zwischengelagert wird.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das hydraulische Bindemittel 5 - 15 Gew.-%, insbesondere 10 Gew:-% Portlandzementklinker,
60 - 80 Gew.-%, insbesondere 70 Gew.-% Hüttensandmehl und 10 - 30 Gew-%, insbesondere
20 Gew.-% Weißfeinkalk aufweist.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Harnstoff einen Amidstickstoffgehalt von 40 - 50%, insbesondere von 46% aufweist.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Harnstoff geprillt ist.
13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Harnstoff einen Biuretgehalt von maximal 1,2% aufweist.